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基于STC12C5A60S2多功能通信开发板设计

文章出处:网络整理 发布时间: 2017/12/18 | 228 次阅读

  引言

  随着通信技术日新月异,无线通信应用领域越来越广泛,如无线远程家庭防盗系统、无线车载终端智能防盗系统、无线温度采集系统、短距离无线蓝牙系统、ZigBee无线网络通信系统等应用。然而,一直以来,高校在教学中讲解现代无线通信的多种应用时,基本上都是停留在书本上的原理、理论,学生也只能很抽象地了解这些应用案例;即使有机会接触实际硬件时,但由于硬件平台要求学生的知识起点很高,大部分学生也只能是看看实验现象,不能很好地掌握它。出现这种情况有以下原因:通信技术变化太快,新的技术不断涌现,而学校的很多硬件设备都是停留于5年前甚至10年前,更新太慢;可能有部分学校购置了最新的无线通信实验平台,但是由于没有考虑这些新的设备是否适合相关专业学生的接受能力,所以教学效果不好,学生对知识的应用仅仅停留在感性的认识上。鉴于此,结合多年的实践教学经历,根据通信专业学生的特点,自行设计了一套多

  功能通信开发板(可以扩展),用于专业综合实践、毕业实践、创新实践等课程;考虑到本专业学生先前学过51系列单片机,开发板CPU芯片选用STC12C5A60S2;利用开发板可直接完成以下综合项目:基于GPRS网络的手机短信远程控制小灯;基于GPRS网络的温湿度数据采集;基于GPRS网络的家庭防盗系统设计;基于nRF905的无线温度数传;多功能万年历设计(可以用无线按键控制实现)。另外,本多功能开发板有扩展引脚,方便学生用于创新项目的开发。

  1.STC12C5A60S2多功能开发板硬件设计

  1.1多功能开发板硬件设计思路

  随着专业课的深入学习,学生对新的通信技术应用案例的要求,已经从概念转向实际项目的操作。设计开发板的目的是为了提高学生的动手能力及编程、调试能力;通过设计完整的无线通信系统项目,让学生更好地理解课堂中的理论与实际工程应用的关系。设计的多功能开发板功能框图如图1所示。

基于STC12C5A60S2多功能通信开发板设计

  1.2多功能开发板

  设计的开发板硬件实物图如图2所示,具有以下功能:

  (1)手机短信远程控制开发板LED灯亮灭;

  (2)开发板可以接听电话;

  (3)开发板将采集数据(如温湿度)发送至服务器、手机;

  (4)基于nRF905的无线温度数据采集(任意两个开发板,其中一个开发板(受控)进行温度采集,并将数据通过nRF905传给另一个开发板(主控),温度数据在(主控)开发板上显示);

  (5)DS1302时钟数据的读取及其在LCD上显示(可通过无线进行控制)。

  主要包括微控制器STC12C5A60S2芯片连接电路、SIM900A连接电路、nRF905连接电路、DS1302时钟芯片连接电路、矩阵按键连接电路、M74HC595B1R芯片连接电路、MAX232连接电路、LCD12864显示连接电路、电源电路等。下面选取其中的主要3种功能模块进行介绍。

  1.2.1系统微控制器STC12C5A60S2

  由于学生之前学过单片机相关理论及实验课,所以选取STC12C5A60S2芯片。它是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机,是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8~12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换,这些特点保证了开发板可编制出高效率的程序。STC12C5A60S2硬件连接图如图3所示。

基于STC12C5A60S2多功能通信开发板设计

  1.2.2SIM900A模块

  SIM900A是SIMCom推出的新款紧凑型产品,它属于双频GSM/GPRS模块,完全采用SMT封装形式;SIM900A仅适用于中国市场,其性能稳定,外观精巧,性价比高;工作频率为GSM/GPRS850MHz/900MHz/1800MHz/1900MHz,可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。利用SIM900A模块,本开发板可实现GPRS远程控制功能;同时,利用STC12C5A60S2双串口功能与电脑相连,实现远程服务器控制功能,如利用手机GPRS网络,将远程端的采集数据发到指定的服务器上。SIM900A硬件连接如图4所示。

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  1.2.3nRF905模块

  nRF905是挪威NordicVLSI公司推出的单片射频收发器,工作电压为1.9~3.6V,32引脚QFN封装(5&TImes;5mm),工作于433MHz/868MHz/915MHz三个ISM(工业、科学和医学)频道,频道之间的转换时间小于650μs。nRF905由频率合成器、接收解调器、功率放大器晶体振荡器和调制器组成,不需外加声表滤波器,Shock?BurstTM工作模式,自动处理字头和CRC(循环冗余码校验),使用SPI接口与微控制器通信,配置非常方便。此外,其功耗非常低,以-10dBm的输出功率发射时电流只有11mA,工作于接收模式时的电流为12.5mA,内建空闲模式与关机模式,易于实现节能。nRF905适用于无线数据通信、无线报警及安全系统、无线开锁、无线监测、家庭自动化和玩具等诸多领域。nRF905硬件连接如图5所示。

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  1.2.4LCD12864模块

基于STC12C5A60S2多功能通信开发板设计

  1.2.5矩阵按键模块

  开发板矩阵按键电路如图7所示。

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  1.2.6LED灯接口电路

  为了节约硬件资源,LED灯通过M74HC595芯片与微控制器相连,LED灯接口电路如图8所示。

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  2.系统软件设计

  系统软件设计方面主要包括SIM900模块利用AT指令进行短信收发和解析;nRF905无线模块收、发设计;LCD12864时钟显示等,下面结合两个通信模块的软件设计进行讲解。2.1SIM900软件模块及调试SIM900调试界面如图9所示,下面介绍SIM900利用AT指令进行短信收发和解析的主要模块定义及注释:

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  2.2nRF905软件收发设计

  nRF905发送流程分以下几步:

  (1)当微控制器有数据要发送时,通过SPI接口,按时序把接收机的地址和要发送的数据送传给nRF905,SPI接口的速率在通信协议和器件配置时确定;

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  (2)微控制器置高TRX_CE和TX_EN,激发nRF905的ShockBurstTM发送模式;

  (3)nRF905的ShockBurstTM发送;

  (4)AUTO_RETRAN被置高,nRF905不断重发,直到TRX_CE被置低;

  (5)当TRX_CE被置低,nRF905发送过程完成,自动进入空闲模式。

  nRF905的接收流程分为以下几步:

  (1)当TRX_CE为高、TX_EN为低时,nRF905进入ShockBurstTM接收模式;

  (2)650μs后,nRF905不断监测,等待接收数据;

  (3)当nRF905检测到同一频段的载波时,载波检测引脚被置高;

  (4)当接收到一个相匹配的地址,地址匹配引脚被置高;

  (5)当一个正确的数据包接收完毕,nRF905自动移去字头、地址和CRC校验位,然后把数据准备好引脚置高;

  (6)微控制器把TRX_CE置低,nRF905进入空闲模式;

  (7)微控制器通过SPI口,以一定的速率把数据移到微控制器内;

  (8)当所有的数据接收完毕,nRF905把数据准备好引脚和地址匹配引脚置低;

  (9)nRF905此时可以进入ShockBurstTM接收模式、ShockBurstTM发送模式或关机模式。

  3.结语

  为了让通信专业的学生更好地掌握无线通信技术的应用,本文设计的多功能开发板具有实际工程应用的价值,通过结合具体的项目开发流程,既提高了学生的C语言编程能力,又锻炼了他们的工程项目素养,为毕业后从事相关技术研发工作打下坚实的基础。

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